Functional profiling of the human gut microbiome using metatranscriptomic approach

Abstract

Fins ara, les aproximacions meta-òmiques utilitzen tecnologies de seqüenciació d'alt rendiment, que produeixen una quantitat enorme de dades, desafiant així els ordinadors moderns actuals. Hem desenvolupat una nova pipeline (unió de diverses eines per realitzar una determinada tasca) de codi obert, que hem anomenat MetaTrans, per analitzar l'estructura i les funcions de les comunitats microbianes actives utilitzant la potència dels ordinadors multi-fil. La pipeline està dissenyada per realitzar dos tipus d'anàlisis de seqüenciació de RNA (RNA-Seq): el taxonòmic i el d’expressió gènica. Fa un control de qualitat, elimina l’rRNA, alinea lectures de seqüenciació (anomenades reads) contra bases de dades funcionals i també dur a terme anàlisis d’expressió gènica diferencial. La seva eficàcia va ser validada per mitjà de l'anàlisi de dades de simulacions sintètiques de comunitats, dades generades en un altre estudi de la síndrome de l'intestí irritable (SII), i comparant amb un estudi, publicat recentment, sobre metagenòmica i metatranscriptòmica. En comparació amb un servidor d'aplicacions web existent, MetaTrans mostra més eficiència en termes de temps d'execució (al voltant de 2 hores per milió de transcripcions) i presenta eines adaptades per comparar nivells d'expressió gènica. S'ha provat amb una base de dades de microbioma de l'intestí humà, però també proposa una opció per utilitzar una base de dades general per tal d'analitzar altres ecosistemes. Per a la instal·lació i l'ús de la pipeline, proporcionem una guia detallada a la següent pàgina web (www.metatrans.org). A continuació, vam utilitzar aquesta pipeline per investigar els perfils taxonòmics i funcionals de la microbiota activa en pacients amb la malaltia de Crohn (MC) i colitis ulcerosa (CU), dues formes principals de la malaltia inflamatòria intestinal (MII). Per a aquest propòsit, els controls sans i els pacients amb MC i CU van proporcionar mostres fecals en dos punts de temps, en els quals es va generar el DNA complementari (cDNA) i es va seqüenciar. La nostra anàlisi de les dades seqüenciades va revelar que MC i la CU presentaven un diferent perfil actiu de microbioma tant a nivell taxonòmic com funcional. A més a més, els pacients amb MC van mostrar una major disbiosis que els pacients de amb CU. Els nostres resultats també van suggerir que la desregulació de diferents vies o rutes metabòliques relacionades amb el metabolisme dels àcids grassos de cadena curta i la supervivència cel·lular estava associada amb la gravetat de la malaltia. En conjunt, el nostre estudi proporciona una descripció molt completa de les funcions microbianes que són actives, i prepara el camí per a futures investigacions sobre la síndrome de l'intestí irritable i les malalties inflamatòries intestinals.

To date, meta-omic approaches use high-throughput sequencing technologies, which produce a tremendous amount of data, thus challenging modern computers. We developed a new open-source pipeline, namely MetaTrans, to analyze the structure and functions of active microbial communities using the power of multi-threading computers. The pipeline is designed to perform two types of RNA-Seq analyses: taxonomic and gene expression. It performs quality-control assessment, rRNA removal, maps reads against functional databases and also handles differential gene expression analysis. Its efficacy was validated analyzing data from synthetic mock communities, data generated from a previous study on irritable bowel syndrome (IBS), and comparing with a recently published metagenomics and metatranscriptomics study. Compared to an existing web application server, MetaTrans shows more efficiency in terms of runtime (around 2 hours per million of transcripts) and presents adapted tools to compare gene expression levels. It has been tested with a human gut microbiome database but also proposes an option to use a general database in order to analyze other ecosystems. For the installation and use of the pipeline, we provide a detailed guide at the following website (www.metatrans.org). We next applied this pipeline to investigate the taxonomic and functional profilings of the active microbiota of patients with Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), two main forms of inflammatory bowel disease (IBD). For this purpose, healthy controls and patients with CD and UC provided fecal samples at two time points, from which cDNA were generated and sequenced. Our analysis of the sequence data revealed that CD and UC presented a distinct active microbiome profile at the taxonomic as well as functional level. Furthermore, CD patients showed greater dysbiosis than UC patients. Our results also suggested that dysregulations of different pathways related to the Short Chain Fatty Acids metabolism and cell survival were associated with disease severity. Altogether, our study provides a very comprehensive description of the active microbial functions and paves the way for future investigations on irritable bowel syndrome and inflammatory bowel diseases.